日光燈原理探究式教學設計

張盼盼+馬愛霞

【摘 要】日光燈的工作原理是電工技術基礎中學生需要理解和掌握的知識點。作者從自身的教學經(jīng)驗出發(fā)，總結(jié)了日光燈原理探究式的教學設計。從兩個電路圖進行問題設計，引入通電自感和斷電自感現(xiàn)象，初步引導學生了解日光燈中的鎮(zhèn)流器利用線圈的自感現(xiàn)象進行工作；播放“日光燈的工作原理”視頻，使學生熟悉日光燈電路的組成、日光燈發(fā)光的條件、日光燈點亮的整個過程；將斷電自感和日光燈的點亮條件相結(jié)合，使學生理解啟輝器所起的“自動開關”作用。實物展示環(huán)節(jié)，展示日光燈燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器，組織學生討論其每一部分在日光燈電路中所起到的作用。實驗環(huán)節(jié)，帶領學生到電工電子實驗室，做“日光燈電路及功率因數(shù)的提高”實驗，進行一系列實驗內(nèi)容設計，使學生進一步掌握日光燈的工作原理。

【關鍵詞】日光燈原理；教學設計；鎮(zhèn)流器；啟輝器

0 引言

日光燈屬于一個日常生活中廣泛使用的典型單相用電器，由日光燈燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器3部分及連接導線和單相電源共同組成。鎮(zhèn)流器是一個帶有鐵芯的電感線圈，日光燈啟動時，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生瞬時高壓，結(jié)合啟輝器的“自動開關”作用使日光燈點燃。

單對上述內(nèi)容敘述或者講解，很難達到本次課的教學目的：理解鎮(zhèn)流器和啟輝器在日光燈點燃過程中所起的作用，熟悉日光燈的點燃過程，掌握日光燈工作原理。作者從自身的教學經(jīng)驗出發(fā)，總結(jié)出能夠達到本次課教學目的的教學設計。首先，從通電自感和斷電自感的電路分析讓學生了解鎮(zhèn)流器是利用線圈的自感現(xiàn)象工作，并恰當?shù)匾雴⑤x器的“自動開關”作用；其次，利用多媒體播放日光燈原理相關視頻，讓學生熟悉日光燈電路的組成、日光燈發(fā)光的條件、日光燈點亮的整個過程；再次，通過實物展示環(huán)節(jié)，組織學生討論思考其每一部分在日光燈電路中所起到的作用；最后，通過實驗環(huán)節(jié)，使學生進一步掌握日光燈的工作原理，并熟悉功率因數(shù)提高的方法。

1 通電自感和斷電自感

這一環(huán)節(jié)由一個通電自感和斷電自感電路圖來設計問題。問題1：圖1a中開關S閉合，燈泡LA和燈泡LB是如何亮的，是立即變亮還是逐漸變亮？為什么？問題2：圖1b中開關S由閉合到斷開，燈泡L是如何熄滅的，是立即熄滅還是其他熄滅方法？為什么？組織學生復習感應電動勢及楞次定律相關內(nèi)容，并分小組討論這兩個問題。

1.1 引導學生分析問題

圖1a中，閉合開關K，LA立即變亮，LB逐漸變亮。原因分析：與LB串聯(lián)的是一個電感線圈，開關閉合時，電感線圈上的電流由無到有，由小到大，由于流過電感線圈的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生電磁感應，根據(jù)楞次定律，感應電流的方向總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，I自的方向與I原相反，加到LB上的電流是由0逐漸增大的，因此LB逐漸變亮。

圖1b中，斷開開關K燈泡L先閃亮一下，再熄滅。原因分析：與RL并聯(lián)的是一個電感線圈，開關由閉合到斷開時，電感線圈上的電流由有到無，由大到小，由于流過電感線圈的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應，根據(jù)楞次定律，感應電流的方向總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，I自的方向與I原相同，I自和I原同時加到RL上，因此，燈泡L先閃亮一下，再熄滅。

1.2 總結(jié)自感現(xiàn)象

自感現(xiàn)象：由于電感器本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象。感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。I自的方向：I原是增加的，I自的方向與I原相反；I原是減小的，I自的方向與I原方向相同。

由于日光燈工作需要有某種設備在日光燈點燃時能夠感應一個高壓，讓這個高壓和市電電壓一起同時加在燈管兩端，它們所形成的強電場使燈絲溢出的電子形成高速電子流而使燈管導通。圖1b斷電自感實驗電路中的電感線圈就可以充當感應高壓設備的角色，它也正是日光燈電路中的鎮(zhèn)流器，其作用是在日光燈點燃時感應一個高壓，前提是需要一個開關斷開的動作，使得通過電感器的電流瞬時減小，而這個開關斷開的動作恰恰就是日光燈原理中啟輝器所起到的作用。

2 視頻演示及實物展示

通過一個時長為4分鐘的視頻，讓學生熟悉日光燈的點燃過程：電路原理圖如圖2（a）所示。閉合開關，電路仍是斷開的圖2（b），電壓都加在氖泡內(nèi)兩觸點間，氖氣被220V電壓擊穿而導電，氖泡發(fā)光。氖泡發(fā)光并發(fā)熱，雙金屬片要膨脹，當動觸片與靜片接觸，電路被接通，氖泡不再發(fā)光圖2（c），兩端的燈絲被加熱，氖泡內(nèi)溫度下降，雙金屬片又收縮，與靜片分離，電路被斷開，在斷電的瞬間，鎮(zhèn)流器的自感線圈產(chǎn)生瞬間高壓，加在燈管兩端，使管內(nèi)氣體開始放電，日光燈正常發(fā)光圖2（d）。

日光燈點燃的整個過程有三個關鍵步驟：1.閉合開關，氖泡動觸片與靜觸片接觸。2.雙金屬片收縮，氖泡動觸片與靜觸片分離，電路被斷開。3.在斷電的瞬間，鎮(zhèn)流器的產(chǎn)生自感作用，產(chǎn)生瞬間高壓，加在燈管兩端，日光燈發(fā)光。

展示日光燈燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器，組織學生討論思考其每一部分在日光燈電路中所起到的作用。

3 實驗環(huán)節(jié)

帶領學生到電工電子實驗室，做“日光燈電路及功率因數(shù)的提高”實驗。進行一系列實驗內(nèi)容設計，使學生進一步掌握日光燈的工作原理，并熟悉功率因數(shù)提高的方法。實驗內(nèi)容設計如下：

3.1 啟動階段，電阻是否可以代替鎮(zhèn)流器

燈管已點亮，為鎮(zhèn)流器并聯(lián)燈泡即電阻，燈泡發(fā)出不太強的光，斷開鎮(zhèn)流器燈管仍發(fā)光，說明此時（在燈管點亮時）電阻可以代替鎮(zhèn)流器。

斷開開關，使燈管熄滅，再閉合開關，只看到燈泡閃亮，而燈管不亮，說明在啟動階段，電阻不可以替代鎮(zhèn)流器。

3.2 啟動階段，自動開關是否可以代替啟輝器

在日常生活中，當日光燈上缺少了啟輝器時，人們常用一根導線將啟輝器的兩端短接一下，然后迅速斷開，使日光燈點亮。請同學們先思考，再做實驗。

燈管點亮后，啟動器拆下，燈管可正常工作，但斷開開關后，就不能重新啟動了，燈管不亮。按下與啟輝器并聯(lián)的按鍵開關，即（短路）可以看到燈腳處燈絲發(fā)光，說明有電流流過，松開按鍵開關，燈管也可以點亮。說明在啟動階段，按鍵開關可以代替啟輝器。

3.3 為日光燈依次并聯(lián)電容，觀察功率因數(shù)變化

日光燈電路并聯(lián)電容后，總電流減小，但是當電容增大到某一數(shù)值時，總電流卻又上升，說明，在感性電流兩端并聯(lián)電容可以提高功率因數(shù)，但必須并聯(lián)適當容量的電容器。

4 總結(jié)

本文作者從自身的教學經(jīng)驗出發(fā)，總結(jié)了日光燈原理探究式的教學設計。首先，引入通電自感和斷電自感現(xiàn)象，初步引導學生了解日光燈中的鎮(zhèn)流器就是利用線圈的自感現(xiàn)象；其次，通過視頻和實物展示環(huán)節(jié)，使學生熟悉日光燈電路的組成、日光燈發(fā)光的條件、日光燈點亮的整個過程，理解啟輝器所起的“自動開關”作用。最后，通過實驗環(huán)節(jié)，進行一系列實驗內(nèi)容設計，使學生進一步掌握日光燈的工作原理。

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[責任編輯：王楠]